【德】 F.Eichler W.Demmelbauer-Ebner K.Persigehl W.Wendt
從2011年起,Volkwagen公司開(kāi)始用新型EA211標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動(dòng)機(jī)替代EA111結(jié)構(gòu)系列的3缸和4缸汽油機(jī),新發(fā)動(dòng)機(jī)在高端系列和橫置模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件平臺(tái)的功率和效率方面樹(shù)立了新標(biāo)桿[1,2]。
在開(kāi)發(fā)EA211標(biāo)準(zhǔn)部件時(shí),最初考慮將新型3缸增壓燃油分層噴射(TSI)汽油機(jī)作為小型化策略的重要組成部分。為滿足輕型、緊湊、高效和低成本方面的要求,并鑒于全球日益嚴(yán)格的廢氣排放法規(guī),確定了以下開(kāi)發(fā)目標(biāo):(1)高升功率(85kW/L)和升扭矩(200N·m/L);(2)盡早盡快提升扭矩;(3)最佳的瞬態(tài)加速響應(yīng)性能;(4)燃油耗和CO2排放達(dá)到最佳水平;(5)在整個(gè)特性曲線場(chǎng)中摩擦功率最低;(6)無(wú)需附加質(zhì)量平衡機(jī)構(gòu),曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性就能達(dá)到4缸機(jī)水平;(7)整車達(dá)到Volkswagen公司A00-A級(jí)水平;(8)可全球使用的堅(jiān)固動(dòng)力總成設(shè)計(jì),并在慣性質(zhì)量較大的轎車上具有較高的承載能力;(9)使用燃油的靈活性。
此外,還面臨要大量應(yīng)用EA211標(biāo)準(zhǔn)部件作為通用件參與全球制造裝配的挑戰(zhàn)。參考先前項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),將發(fā)展技術(shù)用于附加功能組合部件,以提高目標(biāo)值。
2014年底,Volkswagen公司首次將新型3缸1.0L-TSI汽油機(jī)配裝于Polo轎車,其功率等級(jí)為70kW 和80kW,CO2排放量從94g/km 起[3]。自2015年5月起,作為藍(lán)驅(qū)技術(shù)機(jī)型(用于美國(guó)市場(chǎng)能滿足最嚴(yán)格廢氣排放法規(guī)的清潔機(jī)型),這種動(dòng)力總成將配裝于Volkswagen公司Golf轎車,其功率為85kW,CO2排放量低于100g/km。該機(jī)型的主要技術(shù)規(guī)格列于表1。
表1 1.0L-TSI汽油機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格
這種緊湊的全鋁4氣門汽油機(jī)采用EA211標(biāo)準(zhǔn)部件的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其關(guān)注點(diǎn)是降低摩擦、功能集成度高,以及更緊湊更輕的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),從而獲得了集成排氣歧管的3缸TSI氣缸蓋,并與水泵模塊相互配合達(dá)到了快速加熱、降低摩擦損失,并在實(shí)際使用中獲得了節(jié)油效果。所有對(duì)外密封軸密封裝置都配備了摩擦優(yōu)化的徑向密封環(huán)。
凸輪軸由1條密封灰塵、免維修和摩擦小的齒形皮帶傳動(dòng),氣門則通過(guò)滾輪搖臂驅(qū)動(dòng),集成為氣門驅(qū)動(dòng)模塊。直徑減小的凸輪軸滑動(dòng)軸承減少了摩擦損失,剛性緊湊的軸承結(jié)構(gòu)型式對(duì)氣門驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生了有利影響。進(jìn)氣或排氣凸輪軸在配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)的第1道軸承承受皮帶的附加力,出于降低摩擦的原因,采用向心球軸承。
基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)上的輔助設(shè)備布置緊湊,沒(méi)有額外支架,并且都使用標(biāo)準(zhǔn)部件的零件。圖2以新型1.0 L-TSI發(fā)動(dòng)機(jī)為例,示出了EA211發(fā)動(dòng)機(jī)系列典型的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊組合部件,只在81kW機(jī)型和85kW機(jī)型的廢氣渦輪增壓器和氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用了高價(jià)值材料,以提高其負(fù)荷承載能力。
氣缸體曲軸箱采用AlSi9Cu3鋁合金壓鑄成形的開(kāi)放式頂面結(jié)構(gòu)型式,鑲鑄的氣缸套使用全球通用燃油可靠運(yùn)行。為優(yōu)化散熱性能,氣缸套外圓被設(shè)計(jì)成粗糙表面,一方面能增大與鋁制缸體的結(jié)合表面積,同時(shí)使2種材料貼合得更為緊密。為減小摩擦,氣缸套采用中心架珩磨工藝加工,因此,即使活塞環(huán)組的切向力較小,仍具有良好的表面貼合性,使機(jī)油消耗量和曲軸箱通風(fēng)量都較少。
氣缸套曲軸箱具有許多鑄造成形的通道,用于供應(yīng)壓力機(jī)油、機(jī)油回油、冷卻液循環(huán)和曲軸箱通風(fēng)等,機(jī)油冷卻器也可通過(guò)氣缸體曲軸箱中專用通道與機(jī)油和冷卻液相通。曲軸箱幾乎僅在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行部分通風(fēng)(圖3),為阻擋機(jī)油飛濺,氣體從曲軸箱空間進(jìn)入安裝在曲軸箱中的機(jī)油分離器,分離出的機(jī)油在機(jī)油液面下回流到油底殼中,而氣體則通過(guò)氣缸體曲軸箱中的1條上升通道引導(dǎo)到氣缸蓋和整體式氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),從而進(jìn)入廢氣渦輪增壓器。因去除機(jī)油的曲軸箱通風(fēng)氣體在機(jī)內(nèi)流動(dòng),因此,能確保在低溫下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)不會(huì)結(jié)冰,而且曲軸箱通風(fēng)氣體量較大。在吸氣行程時(shí),曲軸箱通風(fēng)氣體從與機(jī)油分離器相連接的通道經(jīng)過(guò)集成在進(jìn)氣管中的止回閥直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管。這種機(jī)內(nèi)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)可靠性較高,因?yàn)閺囊婚_(kāi)始就避免了出現(xiàn)缺陷。
為了避免即使在頻繁的短途交通情況下出現(xiàn)冷凝情況,在氣缸體曲軸箱真空下,新鮮空氣不斷從空氣濾清器凈化空氣側(cè),通過(guò)氣缸蓋罩中的止回閥由發(fā)動(dòng)機(jī)吸入,發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)泄漏的曲軸箱氣體被新鮮空氣流攜帶通過(guò)機(jī)油分離器進(jìn)入氣缸燃燒。
曲柄連桿機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量輕和摩擦小的特點(diǎn),因而能取代3缸發(fā)動(dòng)機(jī)上常用的平衡軸,并無(wú)損于舒適性。與4缸機(jī)一樣,曲軸的連桿軸頸也鉆成空心,即使需要較高的功率,因優(yōu)化了主軸承和連桿軸承的設(shè)計(jì),仍可進(jìn)一步減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和降低曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦,并對(duì)燃油耗產(chǎn)生有利影響。所采用的4個(gè)平衡塊降低了曲軸的內(nèi)部應(yīng)力和軸承負(fù)荷,此外,有針對(duì)性的質(zhì)量平衡能較為明顯地降低傳動(dòng)系統(tǒng)中的振動(dòng)激勵(lì)。
EA211標(biāo)準(zhǔn)部件中的新型技術(shù)組件是無(wú)小頭孔襯套連桿,這是首次在1.0L-TSI和具有主動(dòng)氣缸管理系統(tǒng)(ACT)的1.4L-TSI-ACT汽油機(jī)上應(yīng)用。采用由Volkswagen零部件公司開(kāi)發(fā)的有利于降低成本的滾壓工藝加工連桿小頭孔,與浮動(dòng)支承并有類金剛石石墨涂層的活塞銷相配合進(jìn)一步降低活塞支承摩擦,同時(shí),通過(guò)活塞頂?shù)钠教乖O(shè)計(jì)減輕了活塞質(zhì)量,并改善了溫度分布。
1.0L-TSI汽油機(jī)的氣缸蓋采用翻轉(zhuǎn)式金屬模鑄造方法制成(圖4),為確保獲得高品質(zhì)的金相組織,采用AlSi10Mg(Cu)鋁合金并經(jīng)過(guò)熱處理,燃燒室周圍采用橫流式冷卻。與1.0L多點(diǎn)噴射式(MPI)汽油機(jī)相比,集成排氣歧管的氣缸蓋針對(duì)散熱和消除冷卻系統(tǒng)節(jié)流進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化,因此,能使發(fā)動(dòng)機(jī)快速達(dá)到其運(yùn)行溫度,并在正常運(yùn)行時(shí)冷卻廢氣流。在上述條件下,幾乎在整個(gè)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)都能達(dá)到過(guò)量空氣系數(shù)λ=1的燃油空氣比,從而降低了CO2排放和用戶實(shí)際使用燃油耗。
將屋頂式燃燒室上方的進(jìn)氣門傾斜21°,排氣門傾斜22.4°,由滾輪搖臂操縱。氣門桿直徑為5mm,進(jìn)氣門座角度為90°,而排氣門座角度為120°,以確保使用代用燃料時(shí)的耐磨性。功率81kW以上機(jī)型均使用鈉冷卻的排氣門,并采用AR20D材料的高耐磨性氣門座圈,在功率為75kW的基本機(jī)型上,整個(gè)氣門都采用X45高強(qiáng)度合金鋼,氣門座圈采用燒結(jié)材料制成。氣缸蓋上的氣門機(jī)構(gòu)由整體式氣門傳動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)。
沿用EA211標(biāo)準(zhǔn)部件發(fā)動(dòng)機(jī)中由機(jī)內(nèi)高溫循環(huán)回路和低溫循環(huán)回路組成的冷卻系統(tǒng)。電動(dòng)冷卻液泵全柔性地按需調(diào)節(jié),供應(yīng)低溫循環(huán)回路中的增壓空氣間接冷卻及發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后廢氣渦輪增壓器后冷卻所需的冷卻液,而高溫循環(huán)回路中的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻則由整體式水泵-節(jié)溫器模塊調(diào)節(jié),借助于免維護(hù)的齒形皮帶由排氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)。
整體式水泵-節(jié)溫器模塊中包括1個(gè)進(jìn)水道和2個(gè)回水通道。節(jié)溫器殼體采用PA6.6材料制成并用螺栓與鋁壓鑄件連接,能容納2個(gè)節(jié)溫器,以及與冷卻器進(jìn)水或回水和采暖熱交換器連接的管接頭。冷卻水從水泵經(jīng)過(guò)氣缸蓋中的連接通道,進(jìn)入氣缸體曲軸箱中的水道,主冷卻水流在87℃溫度下通過(guò)氣缸密封墊引入氣缸蓋,與冷卻燃燒室的橫流水流和平行冷卻整體式排氣歧管的第2股冷卻水流相遇,2股水流在節(jié)溫器前匯合,并流入主節(jié)溫器前的混合室。
冷卻液在氣缸體曲軸箱起始點(diǎn)從水道直接流入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻器,并在第1缸前又流回水道,在相同位置有1個(gè)流入第1缸水套的進(jìn)水口,氣缸側(cè)第2個(gè)冷卻回路從這里開(kāi)始,沿著縱向在流經(jīng)氣缸2和氣缸3后流入節(jié)溫器殼體,并經(jīng)過(guò)第3個(gè)連接通道流到曲軸箱節(jié)溫器前,該節(jié)溫器在105℃時(shí)打開(kāi),冷卻液就能流入主節(jié)溫器前的混合室,而主節(jié)溫器還調(diào)節(jié)流經(jīng)汽車散熱器的冷卻水流動(dòng)。
整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的零部件均沿用EA211模塊化發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)部件。曲軸通過(guò)免維護(hù)的齒形皮帶驅(qū)動(dòng)凸輪軸,皮帶松弛邊由永久張緊導(dǎo)輪兩側(cè)的止推凸肩導(dǎo)向,而拉力邊則由剛性的轉(zhuǎn)向輪維持皮帶的平穩(wěn)運(yùn)行。
正如該發(fā)動(dòng)機(jī)系列中的3缸1.0L-MPI汽油機(jī),進(jìn)排氣凸輪軸的V形皮帶驅(qū)動(dòng)輪幾乎完全消除了旋轉(zhuǎn)不均勻性,并明顯降低了皮帶拉力,但仍能保證最小動(dòng)態(tài)皮帶力始終處于有利的范圍內(nèi),因而確保了齒形皮帶與齒形皮帶輪之間的附著力。
為了優(yōu)化高低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功率輸出,進(jìn)排氣凸輪軸都應(yīng)用葉片式液力相位調(diào)節(jié)器。進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍為50°CA,排氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍為40°CA,這樣就能在低轉(zhuǎn)速時(shí)獲得大扭矩,而在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到高功率。
Volkswagen公司首次應(yīng)用按特性曲線場(chǎng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的機(jī)油泵(圖6),其特點(diǎn)是內(nèi)部摩擦較小而使驅(qū)動(dòng)功率減小。將葉片式機(jī)油泵集成在前端密封法蘭中,并套過(guò)曲軸軸頸安裝在氣缸體曲軸箱上。機(jī)油壓力是由安裝在曲軸軸頸上的內(nèi)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的葉片形成的油室建立起來(lái)的,而機(jī)油泵吸油側(cè)通過(guò)直接安裝的塑料吸油管從油底殼吸入機(jī)油。油底殼由鋁整體壓鑄后經(jīng)熱處理制成,并通過(guò)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋優(yōu)化聲學(xué)特性。機(jī)油從泵的壓力側(cè)通過(guò)氣缸體曲軸箱中的通道抵達(dá)固定在油底殼上的機(jī)油濾清器,輸入主油道,再?gòu)闹饔偷婪峙涞街鬏S承和連桿軸承,并經(jīng)過(guò)上升通道進(jìn)入氣缸蓋上的配氣機(jī)構(gòu),由氣缸蓋中的2條油道給滾輪搖臂供應(yīng)機(jī)油,機(jī)油再通過(guò)鉆孔分流通道抵達(dá)凸輪軸軸承和凸輪軸相位調(diào)節(jié)器的進(jìn)油閥。在變速器端,壓力機(jī)油經(jīng)過(guò)最后一道主軸承通過(guò)鉆孔向外輸送,在那里的導(dǎo)管能確保向廢氣渦輪增壓器供應(yīng)機(jī)油。并僅在機(jī)油壓力水平較高時(shí)才向活塞頂噴射機(jī)油冷卻。
機(jī)油泵的機(jī)油壓力由液壓和電子調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)。通過(guò)從主油道至機(jī)油泵的連接進(jìn)行外環(huán)區(qū)域的液力壓力調(diào)節(jié),而電子控制的比例電磁閥則按需將機(jī)油壓力調(diào)節(jié)在0.10~0.33MPa之間,位于氣缸蓋上升通道中的機(jī)油壓力傳感器為此提供所需信息,這種由機(jī)油泵控制的特性曲線場(chǎng)根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
在開(kāi)發(fā)渦輪增壓器時(shí),低轉(zhuǎn)速時(shí)的大扭矩和具有豐滿扭矩特性曲線的瞬態(tài)性能起著主導(dǎo)作用。針對(duì)集成在氣缸蓋中的排氣歧管中廢氣熱焓較少的狀況,采用單流道渦輪增壓器,其轉(zhuǎn)子特點(diǎn)是外形尺寸和慣性力矩較小,效率水平較高。廢氣渦輪增壓器由高耐熱奧氏體合金鑄鋼制成,能承受高達(dá)1 050℃的廢氣溫度,而渦輪葉輪采用MAR-M246鎳基合金。
1.0L-TSI汽油機(jī)的增壓壓力最大可達(dá)到0.16MPa(相對(duì)壓力),是EA211發(fā)動(dòng)機(jī)系列中的最高值。增壓壓力由新開(kāi)發(fā)的電動(dòng)廢氣放氣閥調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié),無(wú)須依賴增壓壓力進(jìn)行控制,因此廢氣放氣閥在低轉(zhuǎn)速時(shí)能可靠關(guān)閉,并能確保順利建立起較陡的扭矩特性曲線。在部分負(fù)荷范圍內(nèi),因廢氣放氣閥完全打開(kāi)使廢氣背壓很低,從而降低了換氣損失。
以4缸TSI汽油機(jī)量產(chǎn)進(jìn)氣道為基礎(chǔ),運(yùn)用Volkswagen公司研究中心的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件自動(dòng)優(yōu)化開(kāi)發(fā)工具進(jìn)一步提高了進(jìn)氣道的滾流數(shù),而對(duì)流量系數(shù)沒(méi)有明顯的不利影響。圖7示出了用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬計(jì)算,結(jié)果得出的進(jìn)氣道方案的包絡(luò)曲線帶、基本進(jìn)氣道和用于1.0LTSI汽油機(jī)的目標(biāo)進(jìn)氣道都位于包絡(luò)曲線帶的最上方。
圖8示出了新滾流進(jìn)氣道提高的流動(dòng)速度。特別注重抑制不位于滾流主軸上的擾動(dòng)成分(Ω擾動(dòng)),從而確保流入空氣對(duì)燃油噴束的均勻席卷、高均質(zhì)化程度和點(diǎn)火上止點(diǎn)時(shí)的擾動(dòng)動(dòng)能水平。
1.0L-TSI汽油機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是在低轉(zhuǎn)速和寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供大扭矩(圖9)。燃燒空氣通過(guò)汽車上的進(jìn)氣口進(jìn)入安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管和氣缸蓋上方的空氣濾清器。增壓空氣通過(guò)直徑為44mm的電控進(jìn)氣門接管進(jìn)入集成增壓空氣冷卻器的進(jìn)氣管。燃油系統(tǒng)中的燃油蒸氣經(jīng)過(guò)燃油箱通風(fēng)閥進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管,直接位于進(jìn)氣門后,能確保進(jìn)入的燃油蒸氣均勻地分配到3個(gè)氣缸。
在EA211系列發(fā)動(dòng)機(jī)上首次應(yīng)用最高噴油壓力為25MPa的高壓噴油系統(tǒng)。高壓燃油泵和不銹鋼共軌與提高的系統(tǒng)壓力相匹配,并采用5孔電磁閥噴油器實(shí)現(xiàn)高壓噴油。借助于CFD模擬計(jì)算,針對(duì)新的滾流進(jìn)氣道優(yōu)化了燃油噴束的貫穿度、零件潤(rùn)濕和均質(zhì)化程度,而模擬計(jì)算的有效性借助整機(jī)和玻璃透明試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的光學(xué)測(cè)量技術(shù)予以驗(yàn)證。高噴油壓力使噴油器能獲得最小噴油量和最佳的噴油持續(xù)期。在部分負(fù)荷和全負(fù)荷時(shí),以及催化轉(zhuǎn)化器加熱期間,運(yùn)用多達(dá)3次的多次噴射能進(jìn)一步降低廢氣排放,并減少燃油摻入機(jī)油的數(shù)量,同時(shí)提高了燃燒穩(wěn)定性,其中通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元中的特殊功能將噴油量的誤差降至最低。
Volkswagen公司開(kāi)發(fā)了新型3缸1.0L-TSI汽油機(jī)(圖10),在開(kāi)發(fā)期間就考慮到未來(lái)用于燃油品質(zhì)較低的市場(chǎng),用于乙醇和壓縮天然氣運(yùn)行的部件和零件改進(jìn)也被考慮其中,因此,新機(jī)型現(xiàn)已具備寬廣應(yīng)用范圍,可用于不同車型平臺(tái)。
持續(xù)不斷地利用EA211模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件,以及全球統(tǒng)一的制造工藝,使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本低、周期短,并能利用Volkswagen公司車間中的成套工藝裝備進(jìn)行生產(chǎn)。
為Polo和Golf轎車開(kāi)發(fā)的新型高度模塊化和經(jīng)濟(jì)性的動(dòng)力總成,將TSI典型的高品質(zhì)、高效率和駕駛樂(lè)趣相結(jié)合。與老機(jī)型相比,配裝3缸TSI汽油機(jī)的Polo轎車的CO2排放降低了17%,同時(shí)升扭矩較高使其具備良好的急加速性能,獲得了TSI車型典型的駕駛樂(lè)趣,并且,在具有出色的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的同時(shí),獲得了優(yōu)異的行駛舒適性。
新型3缸TSI汽油機(jī)具有緊湊的結(jié)構(gòu)型式,其出色的扭矩和功率輸出與較低的CO2排放相結(jié)合,是EA211發(fā)動(dòng)機(jī)系列發(fā)展中的又一個(gè)里程碑。
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